控制點CGCS2000坐標的聯測及解求

胡思華

(貴州有色地質工程勘察公司，貴州 貴陽 550025)

GPS技術自其出現以來就因其高精度、全天候、自動化等優點而迅速融入到社會各個領域，并在測繪領域形成了一種先進的數據采集方式——GPS測量[1-2]。對于GPS所采集數據的處理，國內的商用軟件普遍采用模型簡單、計算量小的單基線解模式進行解算，其處理結果精度較低[3]。如果想獲得高精度的成果，必須使用更嚴謹精密的測量科研分析軟件。當前的高精度GPS數據分析軟件主要有：Bernese軟件，由瑞士Bern大學開發；GAMIT/GLOBK軟件，由美國麻省理工學院和SCRIPPS海洋研究所共同開發[4-7]。由于GAMIT/GLOBK軟件可以免費提供給所有用戶使用，這使得它迅速被應用到全球各地，深受廣大測繪人員的好評。目前，國內主流的平差軟件是武漢大學獨立研制的COSAGPS軟件。COSAGPS軟件針對國內測量規范設置了各種控制網等級的參數，平差較GLOBK更為方便直觀。IGS數據處理中心公布的精密星歷可以為GAMIT軟件提供穩定的高精度起算基準。而聯測IGS跟蹤站可以得到所測控制點在ITRF框架下的坐標成果。

本文選擇貴州大學的4個強制對中觀測墩，且無其坐標信息，鑒于CGCS2000坐標系是目前國內精度最高的坐標系，在適宜的觀測方案的基礎上，綜合以上優點，以期得到高精度的控制點CGCS2000坐標成果。

1 觀測方案

1.1 測區概況

測區位于貴陽市花溪區，地勢較為平坦。測區范圍為東經106.656 4°～106.665 2°、北緯26.444 1°～26.449 3°。測區平均高程為1 100 m。四個觀測墩分別為GD01、GD02、GD03、GD04。測區附近IGS站點分布圖如圖1所示。

圖1 測區附近IGS站點分布圖

1.2 聯測方案

1.2.1 IGS站的選取

如果選擇測區附近均勻分布的5～6個IGS站，來自于高程誤差的影響將相互抵消，進而提高GAMIT的解算精度。本文選擇bjfs、shao、urum、twtf、cusv、pimo等6個IGS站點，這些站點較為均勻的分布在測站周圍，并與測站距離在1 000～2 000 km，有利于GAMIT的長基線解算。

1.2.2 儀器的類型及精度

本次觀測方案配備3臺南方NETS9接收機，在進行靜態數據采集時，其平面定位精度為±2.5 mm+1 ppm，其高程定位精度為±5 mm+1 ppm。同時配備3臺可弱化多路徑效應的南方CR3- G3扼流圈天線。

1.2.3 觀測方案

本次GPS測量實測4個點，利用3臺接收機，按照工程三等控制網的要求對4個控制點同步觀測3個時段，時段長4 h。具體觀測方案為：第1時段觀測GD01、GD02、GD03等三個控制點；第2時段觀測GD02、GD03、GD04等三個控制點；第3時段觀測GD01、GD02、GD04等三個控制點。觀測時采用的技術指標為：(1)觀測衛星數≥5；(2)衛星高度角為15°；(3)采樣間隔為30 s。

2 基于GAMIT軟件的基線解算

2.1 數據準備

本次觀測于2016年5月4日(125日)和5月5日(126日)兩天完成。因此需要在IGS數據網站上下載125日和126日兩天的原始觀測數據以及需要更新的tables表文件。

首先，新建一個工程目錄，命名為kong。之后，在該目錄下新建igs、brdc和rinex三個目錄存儲第1時段的所有原始觀測數據。更新完tables文件后，在終端中執行sh_setup 2016 125 kong指令，將其鏈接到kong文件夾中。

將各配置文件準備好后，根據觀測的實際情況，做以下修改：

(1)將sestbl.中的Use otl.list = N和Use otl.grid = N中的N改為Y來進行潮汐改正。

(2)修改sessio.info中的起始觀測時間和歷元數。

(3)對各IGS站的先驗坐標做0.05 m的強約束，對4個控制點做9.99 m的松弛約束。

2.2 天線相位中心的改正

由于本文觀測使用的天線并未出現在rcvant.dat中，需要進行如下處理：

(1)訪問NGS網站，找到STHCR3-G3的ANTEX格式的天線相位中心參數，復制粘貼到antmod.dat文件中。

(2)將STHCR3-G3天線的編碼標識加入到rcvant.dat中。

(3)在hi.dat中添加STHCR3-G3天線的改正信息，GAMIT在其解算過程中會利用該參數改正天線高。

2.3 基線解算

如表1所示，IGS數據處理中心提供的星歷有3種：超快速星歷IGU，主要有觀測和預報兩部分，發布速度最快；快速星歷IGR，質量較好，發布速度也較快；最終精密星歷IGS，經IGS處理中心加權后發布的，效果最好，但發布速度太慢。本文選用最終精密星歷IGS進行解算。

表1 3種精密星歷參數

在各項準備工作都進行完畢后，在kong目錄下打開終端，輸入基于最終精密星歷IGS的批處理命令：sh_gamit -expt kong -d 2016 125 -pres ELEV -orbit IGSF -copt x k p -dopts c ao，GAMIT軟件開始自動處理觀測數據，得到分析記錄文件o文件。第2、3時段的數據仍按上述步驟做基線解算的處理。最終獲得的3個時段的o文件的均方根誤差均在0.2左右，表示基線解算精度高[8]。(本文同時進行了松弛軌道解和固定軌道解兩種方式的基線解算，對比發現采用松弛軌道解的解算結果精度更高，因此本文采用松弛軌道解進行基線解算。)

3 基于COSAGPS的基線質量分析及網平差

3.1 COSAGPS軟件介紹

COSAGPS軟件是武漢大學獨立研制的一款專用GPS網平差軟件。COSAGPS軟件可讀取多種GPS軟件的基線數據，自動進行各種指標的計算。

同時，COSAGPS軟件針對國內的GPS測量規范設計了各種控制等級，減少了測繪人員處理數據時查找各種規范的煩惱，因而備受推崇。由于COSAGPS軟件運算速度快，且能保持非常高的整體性，是國內最受認可的權威平差軟件。

3.2 坐標系統的統一

由于國內IGS站建立相對較晚，不能直接從ITRF官網上得到各IGS站點的CGCS2000坐標。因此，首先找到各IGS站點在ITRF05，2000.0歷元(2000年1月1日所屬歷元)下的坐標，然后通過圖2所示框架轉換流程得到其CGCS2000坐標(各轉換參數均改正至2000.0歷元下)。

圖2 ITRF框架轉換流程圖

同時，考慮到各點所在板塊的不均勻運動對其坐標的影響，通過轉換歷元得到了表2所示的各IGS站在ITRF97框架，2016.344歷元(2016年126日所屬歷元)下的坐標[9-13]。

表2 各IGS站點在ITRF97，2016.344歷元的坐標/m

3.3 基線質量檢核

在COSAGPS軟件中新建一個工程，等級設置為工程三等。然后，導入GAMIT基于最終精密星歷IGS的基線解算數據并形成獨立基線文件，選擇BJFS作為無約束平差的已知坐標，進行各項控制指標的計算。

在《全球定位系統(GPS)測量規范》(GB/T18314-2009)中，同步環閉合差的限差為[14]：

(1)

從表3中可知，各方向坐標閉合差均在-0.1～0.1 mm之間，無明顯差別，精度較高，滿足規范的要求。

表3 同步環閉合差計算結果

在《全球定位系統(GPS)測量規范》(GB/T18314-2009)中，異步環閉合差的限差為[14]：

(2)

從表4中同樣可以得知，各方向異步環閉合差均在-0.1～0.1 mm之間，遠遠小于限差(各限差允許值均在19 000 mm以上)，WS最大值為0.14 mm，同樣遠遠小于限差(各限差允許值均在33 000 mm以上)，均滿足規范要求，由此表明采用精密星歷在長線路的異步環計算中具有較高的精度。

表4 異步環閉合差計算結果/mm

在《全球定位系統(GPS)測量規范》(GB/T18314-2009)中，重復基線較差的限差為[14]：

(3)

從表5中亦知，各重復基線長度差均在0.245 6～3.763 1 mm之間，遠遠小于限差允許值(21 000 mm以上)，均符合規范要求，由此表明采用精密星歷在長線路的重復基線計算中具有較高的精度。

表5 基于IGS精密星歷的重復基線長度較差計算結果

在《全球定位系統(GPS)測量規范》(GB/T18314-2009)中，三維無約束平差基線向量殘差的限差為[14]：

VDX，VDY，VDZ≤3σ

(4)

從表6中可知，各方向基線向量殘差均不超過±2 cm，精度較高，計算結果均滿足規范要求。

表6 三維無約束平差基線向量殘差計算結果/cm

3.4 網平差

本文選擇IGS站中最穩定的BJFS、SHAO、URUM三個站的坐標作為已知坐標進行三維約束平差，平差后的控制點在ITRF97，2 016.344歷元下的坐標如表7所示。

表7 平差后的控制點坐標

平差后的最弱邊為GD01-GD02，其中誤差為1/73 000，滿足《工程測量規范》(GB50026-2007)三等工程控制網最弱邊中誤差≤1/700 00的要求。Y方向誤差略大于X、Z方向誤差。平差后的最弱點為GD01，其中誤差為17 mm，滿足《全球定位系統(GPS)測量規范》(GBT18314-2009)最弱點中誤差≤±25 mm的限差要求。綜上可得，平差后的控制點坐標成果是可靠的。

4 總 結

在GPS高精度數據處理中，有許多誤差會影響到最終的結果，本文在外業觀測時就通過配備扼流圈天線的接收機來消除多路徑效應，而GAMIT軟件通過設置好配置文件可以對天線相位中心偏差、潮汐、極移、章動、閏秒等誤差的影響進行改正。誤差的改正是高精度數據處理的關鍵。

通過長時間的數據觀測、采用精密星歷以及聯測測區附近分布均勻的6個IGS站， GAMIT軟件可以建立嚴密的數學模型進行數據解算，從而得到高質量的基線數據。再采用國內測繪領域最受歡迎的權威平差軟件COSAGPS，對GAMIT軟件解算的基線數據進行平差，最終得到了控制點在CGCS2000下的坐標，精度滿足工程測量規范三等控制網的要求。